Миелиновая защита нейрона: всё начинается до рождения

Александра Коростышевская, Андрей Савелов, Ирина Приходько, Яна Исаева, Василий Ярных «Наука из первых рук» № 3(88), 2020

С детства мы слышим, что нервные клетки не восстанавливаются. И хотя вопрос о возможности образования новых нейронов во взрослом мозге до сих пор открыт, уже есть данные, что процесс нейрогенеза у человека продолжается до глубокой старости. Любые нарушения в развитии нервных клеток могут приводить к серьезным, иногда необратимым патологиям. Одним из таких нарушений являются дефекты в защитной изоляционной оболочке (миелине) отростков нервных клеток, которые могут формироваться у человека еще до его рождения. Их практически невозможно диагностировать с помощью традиционных методов визуализации.

Об авторах

В мозге человека в среднем содержится около 100 млрд нейронов, которые принимают, хранят, обрабатывают и передают информацию с помощью электрических и химических сигналов. Взаимодействие между нейроном и другими нервными клетками и органами происходит с помощью коротких (дендриты

) и длинного (
аксон
) отростков.

Каждый аксон, подобно проводу, покрыт изоляционным материалом — миелиновой оболочкой

, которая обеспечивает более высокую скорость прохождения нервных импульсов и защищает нервные волокна от повреждений. Кроме того, эта оболочка несет опорную функцию, а также, по последним данным, служит для аксона, нуждающегося в большом количестве энергии, своего рода «заправочной станцией».

Аксон — главный «кабель» нейрона, покрытый миелиновой оболочкой. Он отдаленно напоминает линию электропередач с цепочкой изоляторов. Цель оболочки, которую формируют специальные обслуживающие клетки (олигодендроциты либо клетки Шванна), — обеспечить передачу электрических импульсов без потерь и с максимальной скоростью. © Servier Medical Art. Слева

— аксоны седалищных нервов мыши (
красные
), обернутые клетками Шванна (
зеленые
, ядра —
синие
). Фото A. Alvarez-Prats и T. Balla. © Eunice Kennedy Shriver /
National Institute of Child Health and Human Development
/ NIH

Все повреждения миелиновой оболочки или дефекты, возникшие в период ее формирования, приводят к серьезным, иногда неизлечимым заболеваниям. Среди них наиболее известен рассеянный склероз

— хроническое аутоиммунное заболевание, поражающее преимущественно молодых людей.

Разрушается миелин и при инсультах

, которые встречаются не только у взрослых (в первую очередь, как принято считать, у пожилых людей), но и у детей, включая нерожденных. Внутриутробный инсульт чаще всего случается после 28-й недели беременности, у детей — через месяц после рождения. Инсульт у плода приводит к развитию пороков головного мозга, а у детей может вызвать
детский церебральный паралич
в раннем возрасте.

При этом о «качестве» миелинизации головного мозга конкретного человека мы сегодня судим лишь по косвенным клиническим симптомам или данным магнитно-резонансной томографии

(МРТ), с помощью которой обычно удается обнаруживать дефекты миелина уже на поздней, часто необратимой стадии.

В головном мозге миелиновую оболочку создают олигодендроциты, в периферической нервной системе — клетки Шванна. Каждый олигодендроцит образует несколько «ножек», которые неоднократно «оборачиваются» вокруг части какого-нибудь аксона (внизу

). В результате один олигодендроцит оказывается связан с несколькими нейронами. © Servier Medical Art.
Вверху
— олигодедроциты в культуре (
красные
, ядра —
сиреневые
). © jakeyoung64

Не все знают, что миелин — это множество слоев клеточной мембраны, много раз «намотанных» на аксон. Формируется миелин плоскими выростами «служебных» глиальных клеток, цитоплазма в которых практически отсутствует. Миелиновая оболочка не непрерывна, а дискретна, с промежутками (перехватами Ранвье). Поэтому аксон обладает более быстрой скачкообразной проводимостью: скорость прохождения сигнала по волокнам с миелином и без него может отличаться в сотни раз. Что касается молекулярного состава «изолятора», то он, как и все клеточные мембраны, состоит преимущественно из липидов и белков.

Дефекты нервной «изоляции»

Развитие мозга плода — сложный процесс, при котором происходят быстрые перестройки морфологии и микроструктуры нервной ткани. В некоторых зонах мозга процесс формирования миелина начинается уже с 18–20-й недели беременности, а продолжается приблизительно до десятилетнего возраста.

Именно нарушения миелинизации часто лежат в основе задержек физического и умственного развития ребенка, а также служат причиной формирования ряда неврологических и психиатрических патологий. Помимо заболеваний, таких как инсульт, задержки развития головного мозга плода с нарушением миелинизации иногда наблюдаются и при многоплодной беременности. При этом десинхронизацию в развитии мозга близнецов оценить «на глаз» довольно сложно.

Но как выявить дефекты миелина в период внутриутробного развития? В настоящее время акушеры-гинекологи пользуются только биометрическими показателями (например, размером мозга), однако они обладают высокой изменчивостью и не дают полной картины. В педиатрии даже при наличии явных функциональных отклонений в мозговой деятельности ребенка традиционные изображения МРТ или нейросонографии

(ультразвукового исследования головного мозга новорожденных) часто не показывают структурные отклонения.

Поэтому поиск точных количественных критериев оценки формирования миелина во время беременности является актуальной задачей, которую к тому же нужно решить с помощью неинзвазивных диагностических методов, уже апробированных в акушерстве. Специалисты из новосибирского Международного томографического центра СО РАН предложили использовать для этих целей новый метод количественной нейровизуализации, уже адаптированный для дородовых (пренатальных

) исследований.

Невролог рассказал, как можно восстановить нервные клетки

Ученые нашли способ восстановления нервных клеток. Как пишет «Доктор Питер», заведующий отделением реабилитации Центра рассеянного склероза Городской больницы № 31 Глеб Макшаков рассказал, как это происходит.

По данным американских ученых, у пациентов после инсультов, травм головного мозга и таких заболеваний, как рассеянный склероз, возможна регенерация нервных клеток с помощью двигательной нагрузки. Испытания проводились на мышах, у которых симптомы, вызванные разрушением миелиновых оболочек, окружающих нервные волокна, и самих нервов, отвечающих за передачу импульсов от мозга к органам и обратно, проходили навсегда.

Как отметил Макшаков, с людьми немного сложнее. Однако при физической нагрузке у пациентов с рассеянным склерозом мозг восстанавливается — функциональные исследования это давно уже показали.

«Почему это происходит, тоже уже понятно: физическая, в том числе аэробная активность, уменьшает уровень воспаления в голове, которое и действует разрушительно на нервную ткань — чем меньше воспаление, тем лучше себя чувствуют миелиновая оболочка и нейроны. А если человек ведет сидячий образ жизни, да еще курит, страдает диабетом, то воспаление у него выражено сильнее, — рассказал врач. — С функциональным восстановлением сложнее: головной мозг построен по, так сказать, сетевому признаку. Один нервный центр в большей или меньшей степени отвечает за конкретную функцию, например, за движение руки или ноги. Ему для работы нужны другие центры. Основной центр с ними связан в процессе освоения моторных (двигательных) навыков человека. То есть один участок коры связан с разными участками головного мозга. Когда человек, у которого эти структурные связи разрушены, проходит физическую реабилитацию, они восстанавливаются, поэтому он чувствует себя лучше. Но полностью симптомы могут уйти только у тех, у кого болезнь застали вовремя, когда у нейронных связей еще есть достаточный резерв».

Невролог добавил, что для достижения эффекта восстановления физическая активность должна подбираться в зависимости от степени утраты функций пациента.

«Если он молод, у него нет двигательных ограничений, то физическая активность должна быть, как у здорового человека. Аэробная — 10 тысяч шагов в день (быстрая ходьба, бег) — ежедневно. Интенсивная физическая нагрузка — 2-3 раза в неделю по 30-45 минут (чтобы не сильно утомляться): в зале, на спортплощадке, если сложно самому — с тренером. Возможны даже занятия с отягощением, силовые тренировки, если позволяет состояние. Организовать ее можно по-разному, допустим, после работы пройтись пешком или без лифта подняться по лестнице, завести собаку и гулять с ней. Если пациент инвалидизирован (больше 4 баллов по шкале EDSS), он мало ходит или прикован к инвалидному креслу, нужно, чтобы ему физическую активность порекомендовал квалифицированный специалист по реабилитации (физический терапевт, эрготерапевт или инструктор ЛФК). Это должны быть специальные адаптированные упражнения, которые пациент может выполнять дома», — отметил Макшаков.

Медик подчеркнул, что физическая нагрузка важна для любого человека, а для страдающего рассеянным склерозом особенно — если он не двигается, его состояние будет ухудшаться.

«Главное правило головного мозга: вы либо используете функцию, либо она у вас постепенно атрофируется», — добавил врач.

На обычном томографе

Любая патология головного мозга плода, которую подозревают врачи во время ультразвукового обследования беременной, обычно является показанием к проведению МРТ; подобные исследования проводятся в МТЦ СО РАН уже более десяти лет. Результаты МРТ могут подтвердить, уточнить, опровергнуть либо вообще изменить предварительный диагноз и, соответственно, тактику ведения беременности.

Дело в том, что количество миелина и размеры отдельных структур головного мозга у эмбриона настолько малы, что любые измерения очень сложны и трудоемки. К тому же плод постоянно шевелится, что очень затрудняет получение качественных изображений и достоверных количественных данных. Поэтому нужна технология, позволяющая получать изображения быстро и с высокой разрешающей способностью даже на маленьких объектах.

Именно таким оказался метод быстрого картирования макромолекулярной протонной фракции

(МПФ) — биофизического параметра, который описывает долю протонов в макромолекулах тканей, вовлеченных в формирование МРТ-сигнала, тогда как обычно источником сигнала являются протоны, содержащиеся в воде (Yarnykh, 2012; Yarnykh et al., 2015).

Метод макромолекулярной протонной фракции (МПФ) основан на эффекте переноса намагниченности, когда протоны свободной воды «обмениваются» намагниченностью с протонами малоподвижных макромолекул, таких как белки. Скорость этого процесса влияет на величину детектируемого сигнала МРТ и зависит от площади взаимодействия макромолекулярной фракции и воды

В основе метода лежит специализированная процедура математической обработки МРТ-изображений, которая позволяет вычленить компоненты сигнала, связанные с МПФ клеточных мембран. А в головном мозге человека и животных основная их часть содержится именно в миелине. Реконструируются карты МПФ на основе исходных данных, которые могут быть получены практически на любом клиническом томографе.

Для реконструкции карт МПФ используются четыре исходных изображения, полученные различными традиционными методами МРТ. Правильность такого подхода подтвердили результаты его апробации на лабораторных животных в Томском государственном университете: у мышей, которым вводили раствор, вызывающий разрушение миелина, результаты МПФ-картирования совпали с данными гистологического исследования тканей (Khodanovich et al., 2017).

Рассеянный склероз: лекарства для ремиелинизации

«Рош» (Roche) купила биотехнологический стартап «Инсепшн 5» (Inception 5), занимающийся вопросами регенеративной терапии рассеянного склероза. Компания вышла из стен инкубатора «Инсепшн сайенсиз» (Inception Sciences), с которым швейцарский фармацевтический гигант оформил соглашение в июне 2014 года, получив право на покупку в случае достижения определенных успехов.

Фокус деятельности «Инсепшн 5» направлен на скрининг и разработку низкомолекулярных лекарственных соединений, обеспечивающих ремиелинизацию оболочек нервных волокон, поврежденных в результате прогрессирования рассеянного склероза. Ноу-хау предприятия основывается на фирменной технологии Калифорнийского университета Сан-Франциско (UCSF), предназначенной для высокопроизводительного анализа потенциальных препаратов-кандидатов. С ее помощью была проверена обширная библиотека молекул «Рош».

Нынешние подходы к ведению рассеянного склероза исповедуют принципы предотвращения атак со стороны иммунной системы и нивелирования их последствий — никаких препаратов, восстанавливающих миелиновые оболочки, нарушение которых приводит к ухудшению критически важной проводимости сигналов, пока не придумано. Частично проблема связана с отсутствием методики, которая бы подтверждала, что то или иное соединение выполняет задачу ремиелинизации. Во-первых, нейроны нелегко заставить расти в лабораторных условиях. Во-вторых, олигодендроциты, продуцирующие миелин, обертывают его вокруг аксонов трудно измеримым способом.

Исследователи придумали крошечные конусы из кремния, стимулирующие олигодендроциты оборачивать миелин вокруг них. Другими словами, получились аксоны из чистого стекла. Когда такие конусы, названные микростолбиками, собраны в массив на тестовом планшете, становится несложным замерить толщину миелина. Уместно провести аналогию с определением возраста дерева по кольцам в поперечном сечении ствола.

Конические микростолбики из плавленного кварца на 96-луночном планшете без дна. Изображение: Nature Medicine, vol. 20, pp. 954–960 (2014).

Концепция массива микростолбиков предусматривает простое измерение миелинизации инвертированным конфокальным микроскопом. Изображение: Nature Medicine, vol. 20, pp. 954–960 (2014).

Олигодендроглия: стрелками показаны клетки-предшественники олигодендроцитов, взаимодействующие с отдельными микростолбиками, треугольниками — олигодендроциты, связанные с ними. Изображение: Nature Medicine, vol. 20, pp. 954–960 (2014).

Олигодендроцит, обернувшийся вокруг микростолбика: показаны множественные концентрические слои миелина. Изображение: Nature Medicine, vol. 20, pp. 954–960 (2014).

Следует, впрочем, понимать, что несмотря на эффективность указанного подхода, речь идет о синтетической системе, которая лишь приблизительно позволяет понять, как миелин оборачивается вокруг настоящих аксонов. В реальных условиях этому будут мешать факторы вроде воспаления в микроокружении нейронов, пораженных рассеянным склерозом.

«Инсепшн 5» и «Рош» не раскрывают, над чем конкретно они работают, однако есть мнение, что партнеры проверяют кластеры агонистов ϰ-опиоидного рецептора (KOR). Как установлено, последний является положительным регулятором олигодендроглиальной дифференцировки, промотирующим процесс ремиелинизации. В доклинических испытаниях на клетки-предшественники олигодендроцитов, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека (iPSC), направили (±)U-50488, самый сильный из обнаруженных KOR-агонистов. По итогам он оказал существенное влияние на ускорение дифференцировки в зрелые олигодендроциты. Осталось модифицировать молекулу так, чтобы она не несла побочных эффектов вроде анальгезии, дисфории и седации, свойственных KOR-активаторам.

Тем временем «Байоджен» (Biogen) занимается моноклональным антителом опицинумаб (opicinumab), антагонистом обогащенного лейциновыми повторами и иммуноглобулинподобного доменсодержащего белка 1 (LINGO-1), разработанным для предотвращения дальнейшего прогрессирования демиелинизации. Механизм действия завязан на блокировании этого протеина, который, находясь на мембране клеток-предшественников олигодендроцитов, подавляет их дифференцировку, регенерацию аксонов и миелинизацию. Несмотря на фактический провал клинических испытаний SYNERGY фазы II, «Байоджен» не сдалась и запустила клинические исследования AFFINITY фазы II, повысив дозу и изменив популяцию пациентов.

На конвейере «Акорда терапьютикс» (Acorda Therapeutics) есть rHIgM22 — стимулятор олигодендроцитарного процесса ремиелинизации, таргетированный на интегрин αVβ3 и представляющий собой рекомбинантную версию аутоантитела, выделенного из сыворотки пациента с макроглобулинемией Вальденстрёма.

«Мосмедпрепараты»

«ЭббВи» (AbbVie) изучает элезанумаб (elezanumab, ABT-555) против молекулы отталкивающего направляющего сигнала a (RGMa) — ингибитора аксональной регенерации и ремиелинизации.

Лекарственные соединения с эффектом ремиелинизации и их мишени. Изображение: Nature Reviews Drug Discovery, vol. 16, pp. 617–634 (2017).

«Рош» (Roche) тестирует холестерин-подобный нейрорегенератор и нейропротектор олезоксим (olesoxime), полученный в ходе покупки «Трофос» (Trophos) в январе 2015 года за авансовых 120 млн евро плюс 350 млн евро по мере достижения определенных этапов развития проекта.

Французская «МедДэй» (MedDay) обкатывает MD1003 — биотин (витамин B7, витамин H) в высокой дозе: он является коферментом карбоксилаз, вовлеченных в метаболизм и синтез жирных кислот, которые входят в состав высоколипидного миелина.

В ходе скрининга уже одобренных медикаментов с доказанным профилем безопасности выявлены те, которые обеспечивают миелинизацию in vitro и ремиелинизацию in vivo, например:

• противоаллергический «Тавегил» (Tavegyl, клемастин), блокатор гистаминовых H1-рецепторов;
• нейролептик «Сероквель» (Seroquel, кветиапин), дофаминовый, серотониновый и адренергический антагонист с антигистаминными и антихолинергическими свойствами;
• противорвотный и прокинетический «Мотилиум» (Motilium, домперидон), блокатор дофаминовых D2– и D3-рецепторов;
• гипотензивный «Витенсин» (Wytensin, гуанабенз), агонист альфа2-адренорецепторов;
• тиреоидный «Цитомель» (Cytomel, лиотиронин), синтетический вариант трийодтиронина;
• противогрибковый «Монистат» (Monistat, миконазол), тормозящий синтез эргостерола оболочки и плазматических мембран грибов;
• нестероидный противовоспалительный «Индоцид» (Indocid, индометацин), ингибитор циклооксигеназы 1 и 2 (COX1 и COX2).

Подобный механизм действия является побочным. Так, поскольку антагонизм ацетилхолинового мускаринового рецептора M1 (холинергический рецептор) улучшает миелинизацию, а клемастин и кветиапин обладают определенной аффинностью к нему, их применение в лечении рассеянного склероза видится перспективным. Домперидон поднимает уровень пролактина, тем самым усиливая ремиелинизацию за счет пролактинового рецептора (PRLR). Миконазол стимулирует сигнальный путь митоген-активируемой протеинкиназы (MAPK) и активность киназ 1 и 2, регулируемых внеклеточными сигналами (ERK1 и ERK2). Индометацин модулирует сигнальный путь Wnt и фосфорилирование бета-катенина.

В общем и целом, отрасль активно погружена в изучение лекарственных соединений, способствующих репопуляции клеток-предшественников олигодендроцитов, ускоряющих их дифференцировку и/или созревание в миелинизирующие олигодендроциты, противодействующих негативным факторам в микроокружении поражений. Эти молекулы могут использоваться наряду с иммуномодуляторами, контролирующими разрушающее воздействие воспаления. Поскольку ремиелинизация характеризуется нейропротективностью, такие препараты, если будут одобрены, уместно применять на постоянной основе. Кроме того, восстановление миелина должно смягчить процесс перехода к прогрессирующей форме рассеянного склероза по мере развития заболевания.